김남수 한국식품연구원 전략기술연구본부 책임연구원

성분 분석, 독소 검출, 미생물 오염 감지, 기능성 평가에 활용
일회용, 가성비 높고 반응시간 빠른 바이오센서 수요 급증 전망

바이오센싱 기술은 바이오센서 기반 분석기술로 이를 체계적으로 설명하기 위해서는 바이오센서가 어떻게 구성되는지 고찰이 필요하다. 바이오센서는 크게 변환기와 생물요소로 구성돼 있으며, 생물요소와 분석물질간의 선택적 반응 결과 나타나는 이온, 전자, 열, 질량, 빛의 변화를 변환기로 감지한 후 이를 전기적 신호로 바꿔 증폭시켜 반응신호로 표시해 준다. 따라서 바이오센서는 변환기의 특성에 따라 전기적 특성 변화를 측정하는 ‘전기화학적 바이오센서’, 광학적 특성 변화를 측정하는 ‘광전자학적 바이오센서’, 질량 변화를 측정하는 ‘압전류적 바이오센서’와 생물반응 결과로 나타나는 열 변화를 측정하는 ‘바이오서미스터’로 크게 구분할 수 있다.

현재 바이오센서 세계시장 규모는 2016년 기준 미화 156억 달러에 달하고, 2020년까지 매년 8% 가까이 성장할 것으로 예견되고 있다. 주요 적용 분야로 의료, 식품 및 농업, 공정, 환경 등이 있는데, 이중 의료는 전체 시장의 약 3분의 2를 차지하고 있다. 식품 분야 바이오센서 시장 규모도 빠르게 증대되고 있으며, 향후 식품산업에서 바이오센서 활용도도 높아질 것으로 예상된다. 기술적 측면에서는 전기화학적 바이오센서가 2014년 기준 세계시장의 75% 가량을 차지하고 있다.

식품산업에서 바이오센싱 기술을 활용할 수 있는 분야는 성분 분석, 자연독소와 항 영양소 신속 검출, 식품가공과 저장 중 효소 불활성화와 미생물 오염 감지, 조리 과정이나 식품성분의 상호반응에 의해 생성되는 유해물질 측정, 식품원료 생산ㆍ가공 과정에서 혼입되는 오염물질 분석, 어류의 신선도 측정, 항산화활성 등 기능성 평가, 발효 모니터링 등을 들 수 있다.

먼저, 효소분해로 인체에 유해한 청산이 생성될 수 있는 아미그달린과 같은 미량특수성분 분석에 효소 및 면역반응 원리의 바이오센서를 활용할 수 있다. 농식품에 미량 존재할 수 있는 아플라톡신 등의 곰팡이독소, 트립신 저해제와 같은 항 영양소도 면역반응 원리 등을 이용한 바이오센서로 측정할 수 있다. 식품 가공시 열처리에 의해 폴리페놀 산화효소, 리폭시게나제, 알카라인 포스파타제 등 지표효소가 불활성화 되는데, 이들의 활성측정 바이오센서 개발과 적용으로 우유의 저온살균 및 채소 데치기의 최적화를 이룰 수 있을 것으로 기대된다.

식품의 미생물 오염검사는 24~72시간 정도 소요되는 배양법 위주로 수행돼 시간과 인력이 많이 필요한 단점이 있었다. 따라서 이에 대한 보완검사법으로 DNA 프루브와 미생물 표면항원에 대한 항체 등을 생물요소로 사용하는 바이오센서가 개발돼 상용화되고 있으며, 이들은 측정시간 단축과 계측 자동화를 가능하게 하므로, O157 대장균 등 식중독균이나 지표미생물에 대한 추정검사 등에 활용도가 높을 것으로 기대된다.

탄수화물 함량이 높은 식품을 120℃ 이상 고온에서 튀기거나 구울 때 발생할 수 있는 아크릴아미드는 발암가능성으로 사회적 관심대상이 되고 있다. 이는 아미다제 활성을 지니는 균주를 고정화한 이온선택성 전극 바이오센서로 선택적으로 측정할 수 있다. 발암물질인 벤조피렌 등 다환방향족화합물(PAHs), 농약, 항생제, 중금속 등도 효소적 및 면역학적 방법에 따른 바이오센서에 의해 고감도로 측정할 수 있을 것이다. 아울러 대두 및 그 가공품의 경우 유전자변형생물체 오염에 대한 관심이 높아지고 있으므로, 이들을 유전자나 발현지표단백질 수준에서 고감도로 신속하게 측정할 수 있는 바이오센서도 개발돼야 할 것이다.

한편, 어육과 축육 부패과정에서 생성되는 주요 물질의 상대적 비율을 측정해 선도를 측정하는 바이오센서, 항산화활성 등 기능성 평가 바이오센서, 식품공정에 접속해 온라인으로 발효산물의 농도를 실시간 측정하는 바이오센서 등도 식품산업에서 활용가능성이 높다.

식품분야 바이오센서 세계시장 규모는 현재 빠르게 증대되고 있으므로 식품 바이오센싱 기술의 미래는 매우 밝다고 할 수 있다. 또한 단백질체학 등 오믹스(Omics) 기술의 발달은 식품 바이오센서의 연구개발과 활용을 촉진하는 동인으로 작용하고 있다. 그렇다면 “미래 식품 바이오센싱 기술은 목표지점을 어디로 설정해야 할 것인가?”라는 질문을 제기하는 것은 매우 시의적절하다 할 것이다.

향후 일회용 바이오센서 혹은 간편하고 가성비가 좋으며 반응시간이 빠르고 사용하기 쉬운 바이오센서 장치에 대한 수요가 급증할 것이다. 따라서 재현성 향상과 원가절감을 위한 바이오센서 칩의 규격화와 미소화가 긴요하고, 궁극적으로는 마이크로타스(μTAS) 기반 바이오 식품계측기술 개발과 이를 위한 주변요소기술 확립이 필요할 것으로 보인다. 이를 통해 오믹스 연구, 대사체 프로파일링, 유전체 분석, 기능성 바이오마커 검출, 단세포 분석, 단일생물분자 반응 측정, 뇌 인지연구 등으로 응용범위를 확장할 수 있을 것이며, 감각 수용체를 생물요소로 하여 정성분석뿐만 아니라 정량분석이 가능한 감각센서 개발도 가까운 시일 내에 가능할 것이다.